基于多维知识图谱的小功率调幅发射机的设计

实验题目：基于多维知识图谱的小功率调幅发射机的设计

课程简要信息

课程名称：电子系统设计与制作II

课程学时：24

项目学时：课内24、课外24

适用专业：通信工程及电子信息工程

学生年级：大三下学期

实验内容与任务

实验内容：

设计并制作一台小功率调幅发射机，频率范围为525-1605KHz，供电电压不超过6V，发射距离大于1米。在发射机输入端接入音频信号，接收端利用超外差调幅收音机可以收听该音频信号。

实验任务：

本课程构建了“进阶性目标图谱”，明确课程目标：

（1）“小有成就”：

1. 理解参考电路图的工作原理，计算关键元器件参数；

2. 利用Multisim、Protues、Altium Designer等仿真软件验证并完成仿真测试报告；

3. 利用互联网+虚实结合电路搭建平台进一步调整实际元器件参数；

4. 完成电路板的焊接和制作；

5. 对电路板进行调试及测试并完成实物测试报告；

6. 由教师设计故障点，对参考电路进行黑盒测试，判断故障原因；

7. 验收及答辩。

（2）“卓越进阶”：

1. 对参考电路的部分模块进行重新设计并仿真验证。

2. 改变发射信号的频率范围：短波广播或民航VHF。

（3）“巅峰挑战”：

1. 按照实验内容及要求自主设计实验电路，完成仿真验证；

2. 制作PCB电路板，焊接完成电路并进行调试及测试。

本课程设计了“3个阶段10个目标点”的进阶性目标图谱，如图1所示，明确写出了课程进阶性目标，引导学生由基础到提升到创新的进阶性学习。该图谱可以清晰的规划学习任务，以任务驱动教学，改善学生被动实验的现象，还可以动态适应个体学习的需求，学生可以找到自己的“最近发展区” 激发探索欲，合理安排时间。

图1 进阶性目标图谱

实验过程及要求

本课程根据教学安排构建了“课程任务图谱”，进行翻转课堂教学，教师明确课程具体任务及过程节点，学生根据任务图谱，按照实验过程节点，进行探究学习，完成实验内容，提交各过程节点报告。

1. 学生自主分组组队，每组 2 名同学，明确各自分工，协作完成。

2. 根据知识图谱查阅资料自主学习相关知识，完成预习报告及知识图谱相关题目。

3. 通过电路方案比较及原理分析，进行模块化电路设计，分析确定电源、音频输入、高频振荡器、振幅调制、功率放大器等功能模块的最优方案，完成详细设计报告。

4. 使用 Multisim、Protues、Altium Designer 等软件仿真电路功能，确定元器件参数，验证电路功能指标，并对电路及元器件参数进行不断优化。通过教研室联合开发的互联网+远程实物电路搭建平台进行实际元器件的电路验证，确定元器件参数，完成仿真测试报告。

5. 进行电路焊接制作，或自主设计PCB电路板（选做），进行电路调试及功能测试，主要包括三极管的静态测试、调制信号的频率及波形、载波频率及波形、已调波的频率覆盖范围、频谱及调制度等，完成实物测试报告。

6. 教师在音频输入、电源、高频振荡、调制器等电路设置故障点，学生进行黑盒测试，通过实际现象、仪器测量等方式分析故障原因。

7. 学生进行个人成果展示（现场验收）及问题答辩，完成课程总结报告。

本课程设计了“11个任务41个环节5个目标”的课程任务图谱，如图2所示，明确写出了课程的具体任务安排及过程节点。课程任务图谱可以使整个实验过程清晰可控，由原来的“粗放式经验驱动”教学变为“精细化任务驱动”教学，激发学生的学习兴趣，培养学生成为会计划、能执行、善反思的实践者。

11

任

务

41

环

节

5

目

标

图2 课程任务图谱

相关知识及背景

这是一个运用模拟及高频电子线路解决现实生活和工程实际问题的典型案例，主要涉及到电源、音频输入、高频振荡器、振幅调制、功率放大器等相关知识与技术方法，提升专业电路仿真软件、高频实验仪器等工程常用设备的实践技能。主要工程案例包括无线对讲机、发报机、飞机塔台通信等。

实验环境条件

（1）实验环境：课程授课在专业的高频实验室进行，课程开放在自主研发的开放共享实验室进行，如图3所示。学生可以刷学生卡从橘色柜门取用工具箱，从蓝色柜门取用元器件，实验结束后，学生会自觉归还工具箱及多余元器件，培养学生养成良好的实验行为规范。所有实验数据都记录在自主开发的综合数据管理平台中，如图4所示。相应成果取得了著作权，如图5所示。

图3 自主研发开放共享实验室

图4 综合数据管理平台

图5 著作权证书

（2）项目实施所需设备主要有：高频示波器、频谱仪、万用表、直流电源、高频信号源、电路仿真软件、联合开发的互联网+远程实物电路搭建平台（如图6所示）、相关元器件等。

图6 联合开发的互联网+远程实物电路搭建平台

教学目标与目的

在以较完整的工程项目实现过程中，引导学生了解电子系统设计方法的多样性，根据工程需求比较选择技术方案，利用知识图谱明确课程目标与任务，引导学生高效自主学习，根据需求设计电路、仿真并确定元器件参数、电路制作及调试等，强化学生分析和处理实际问题的能力，增强实践能力和创新能力，引导学生养成实事求是、一丝不苟的科学态度和脚踏实地的劳动精神。

教学设计与实施进程

本项目的授课模式为翻转课堂，以学生为主导，教师为引导，这就需要教师做好充分的教学准备，准备丰富的教学资源。为此设计了四维融创图谱教学法，从目标进阶、知识网络、思政浸润、任务驱动四个维度引导学生进行高效的自主学习。教师授课过程中，将多维知识图谱与BOPPPS混合教学模式相结合，依托自主研发的开放共享的实验室环境，借鉴CDIO的教学方法，将教学过程进行模块化分解，分为课前精准诊断、课中翻转施教、课后持续提升三个阶段，三个阶段对应引入（Bridge-in），目标（Objective）、前测（Pre-assessment）、参与式学习（Participatory Learning）、后测（Post-assessment）、总结（Summary）6个环节，每个环节取首字母称为BOPPPS混合教学模式，如图7所示。

图7 教学模式

（1）引入（Bridge-in）

案例引入：教师通过实际案例引入课程内容；学生根据实验任务，自主组队，每组2名学生，确定分工，每人任务要明确并制定分工计划表，作为答辩时个人完成任务情况的考核对照。

（2）目标（Objective）

知识图谱：教师发布进阶性目标图谱（图1）、课程知识图谱（图13）及思政图谱（图16），布置自主学习任务；学生根据进阶性目标图谱明确课程目标，根据课程知识图谱了解知识框架，高效查阅资料进行自主学习。根据思政图谱引导学生形成严谨、求实、创新的工作作风，将强化安全意识，社会责任、科学思维等作为课程的教学目标。

（3）前测（Pre-assessment）

预习报告：教师发布预习报告，学生根据自主学习完成课程知识图谱中对应的相关习题，教师对学生预习情况进行评估，调整教学策略。知识图谱展开具体资源及习题如图8所示。

图8 具体知识图谱展开

（4）参与式学习（Participatory Learning）

1）任务图谱：教师发布课程任务图谱（图2），明确课程具体任务及过程节点，学生根据任务图谱，按照实验过程节点，进行探究学习，完成实验内容，提交各过程节点报告。学习过程中全程小组协作，进行翻转课堂，教师组织小组讨论，针对性指导。

2）方案比较：教师根据预习评估情况，通过问题链教学法串讲相关所需知识重难点，学生根据知识图谱框架进行详细知识点学习及原理分析，进行电路方案比较，学习过程鼓励各小组进行知识分享和讨论。课程设计了“调幅小智”课代表，根据本地资源，可以随时为学生回答问题，帮助学生进行高效自主学习，如图9所示。本学期基于Deepseek开发了调幅发射演示系统，可以较好的将系统中各参数对输出波形的影响直观的演示出来，如图10所示。

图9 智能课代表

图10 调幅发射演示系统

3）电路设计：学生根据进阶性目标图谱及课程任务图谱，明确本组的课程目标及内容，进行模块化电路设计，包括电源、音频输入、高频振荡器、振幅调制、功率放大器，根据设计电路进行元器件选择并应注意电路安全。

4）虚拟仿真：学生根据既往知识选择仿真软件并进行电路图绘制及参数调整，进行模块化仿真测试，对电路进行优化，解决仿真中遇到的问题，完成仿真测试报告。

5）电路验证：学生通过教研室联合开发的互联网+远程实物电路搭建平台进行电路验证，该平台可以在线操作实验板卡进行真实元器件电路搭建及器件参数调整，有效解决实际电路与仿真软件存在偏差的情况，最终确定电路及参数。

6）电路制作：学生根据本组的进阶性目标完成电路制作，焊接参考电路或者自行制作PCB。

7）电路测试：根据测试报告要求，分模块进行电路调试、功能测试、数据分析，并完成实物测试报告。

8）故障点设置：教师在音频输入、电源、高频振荡、调制器等电路设置故障点，学生进行黑盒测试，通过实际现象、仪器测量等方式分析故障原因。

9）创新设计：学生可以根据进阶性目标图谱，选择完成更高阶的任务，进行创新设计。

（5）后测（Post-assessment）

验收答辩：学生以小组为单位进行成果展示（现场测试）及验收，明确个人分工及贡献度。以个人为单位进行答辩，随机从教师提前准备的问题中抽取1题进行回答。

（6）总结（Summary）

课程总结：学生根据知识图谱各知识点查缺补漏，按照实验完成情况进行课程总结，完成课程总结报告，进行知识迁移及研究性学习，参加各类相关竞赛。教师根据图谱各节点报告进行知识分析、成绩分析，提供教学反馈，并不断扩充知识图谱学习资源，将课程内容升华，指导学生高阶项目、比赛，凝练毕设题目等。

实验原理及方案

（1）系统结构

学生通过本项目可以依托实际工程来加深对调幅发射整个过程的理解，本项目中调幅发射系统的基本结构主要包括电源、音频输入、高频振荡器、振幅调制、功率放大（选做）等，其系统结构图如图11所示。本项目有多种实现方案，学生可根据课程任务要求进行自主学习、设计、仿真、验证。

电源为整个系统提供可靠稳定的直流电源，确保各模块正常工作；音频输入可以将音频信号无失真的输入到电路中，需要适当地对音频信号进行放大及滤波处理，并可以进行调制度控制，使其适合后续调制；振荡器可以生成高频载波信号，作为调制的基准频率，确保载波频率可以实现525-1605KHz的覆盖范围；振幅调制可以将音频信号叠加到载波上，通过改变载波振幅来传输信息；功率放大（选做）可以提升已调信号的功率，驱动天线高效辐射电磁波，本项目为小功率的调幅发射机，所以功率放大部分为选做内容。

图11 系统结构

2. 实现方案

本项目有多种实现方案，常用的实现方案如图12所示。

图12 可供选择的实现方案

首先，本机振荡电路的输出是发射机的载波信号源，振荡频率应稳定，可供选择的振荡电路有LC振荡电路、晶体振荡电路，差动式正弦波振荡电路等。

其次，振幅调制电路是本项目的核心，根据所学知识可以选择晶体管基极调制电路、晶体管集电极调制电路、模拟乘法器等。

音频信号作为调制信号输入时可以进行放大并加入调制度控制电路。

调制后的AM信号为了传输距离远可以设计功率放大电路，但考虑到干扰问题不建议设计大功率电路，能满足1米的接收范围即可，故此部分设计为选做。

电源部分由于需要控制发射距离指定供电电压不超过6V，可采用电池、USB充电宝、直流稳压电路等。

（3）知识图谱

本课程设计了“50个知识点”的知识图谱，如图13所示，总结了课程的核心知识点。知识图谱可以精准匹配教学资源‌，减少学生无效重复学习，提高自主学习效率，持续激发学习内驱力。同时可以‌整合碎片化知识，将零散知识串成网络，从孤立知识点学习转向多维问题解决能力培养。

图13课程知识图谱

（4）实验原理

本项目为学生的第一个项目式设计课程，所以为学生提供一个参考电路，如图14所示。帮助学生从理论知识到实际工程的过渡，为后续的电路设计奠定基础，提高学习效率。下面介绍一下参考电路的方案及基本原理。

图14 参考电路图

电源部分采用电池和直流电源双供电模式，并有电源LED指示及去耦功能。

音频输入部分采用3.5mm耳机插孔，将音频信号输入电路中，并有调制度控制电路，可以避免过调制导致的信号失真。

振荡器采用差分LC振荡电路，差分LC振荡电路是一种基于差分对结构的谐振电路，结合电感和电容实现高频振荡，具有稳定性强、抗干扰能力强的特点。由两个对称的三极管组成差分放大器，通过LC谐振回路形成正反馈路径。电路上电瞬间，电容通过电感放电形成初始电流，电容中的电能转化为电感的磁能；随后电感反向为电容充电，磁能转为电能，完成一次能量交换。能量在电容和电感之间交替转换，理想情况下形成无衰减的正弦波，但实际电路中电阻会损耗能量，需通过正反馈补充能量以维持振荡。初始信号通过差分对的放大作用，在LC谐振回路上产生相位相反的电压，经耦合反馈至输入端形成正反馈，满足振荡的相位条件‌。振荡频率由外接LC元件的谐振频率决定，公式为：

振幅调制采用晶体管基极调制电路，利用晶体管基极作为调制信号输入端，通过改变基极偏置电压来实现‌振幅调制。其核心是将‌低频调制信号‌（音频）与‌高频载波信号‌叠加在晶体管基极，利用晶体管的非线性特性，使输出载波的幅度随调制信号变化。晶体管作为核心器件，工作在‌非线性区，‌调制信号与载波信号通过基极输入，叠加后控制晶体管的导通程度。晶体管非线性放大导致集电极电流幅度随调制信号波动，输出信号幅度被调制。

（5）实验仿真

通过对参考电路进行仿真，验证电路的功能，并进行参数的调整，仿真图及测试结果如图15所示。信号源输入频率为50Hz，峰峰值为200mv的正弦波，模拟音源信息。给定电感线圈T1的电感值，通过改变可变电容C7、C8的电容值可以改变载波频率，使其频率覆盖范围满足项目任务书要求。仿真中载波频率约为648KHz，可通过示波器、频率计数器、光谱分析仪来测试验证。通过示波器测试结果可以明显看到无失真的已调信号。仿真结果证明参考电路的可行性。

图15 参考电路仿真及测试结果

课程中需要学生对参考电路进行仿真，仿真的目的不是为了让学生验证参考电路的正确性，而是让学生通过仿真结果反推电路中相关参数的范围，加深学生对电路原理的理解，为后面的电路设计奠定基础。同时要求学生需要使用多种仪器从多角度测量分析实验数据，提高学生的数据分析及处理能力。

（6）思政图谱

根据系统的五个基本结构电源、音频输入、高频振荡器、振幅调制、功率放大（选做），设计了思政的五大专题，形成了“39个知识点”的思政图谱，如图16所示，总结了课程的思政知识点。思政图谱可以进行跨学科内容融合，将零散思政知识点与专业课程知识融合，直观呈现思政逻辑。同时可以进行课程思政的持续迭代，思政图谱动态更新，推荐适配案例，提升教学资源利用率。

电源部分从安全意识入手，从用电安全升级到生活中各各方面都需要增加安全意识；音频输入部分从信息传播合法性入手，让学生了解信息传播的法律边界与伦理规范，培养“传播真实信息、抵制虚假内容”的自觉性，强化社会责任意识，维护网络空间安全；高频振荡器部分从安全隐患、风险管理入手，振荡本身就是一种不稳定，设计了“风险认知-伦理内化-行动转化”的三阶递进，将国家安全观、社会责任意识融入课程；振幅调制部分根据调制技术的发展，从技术革新、国家发展入手，了解“新质生产力”、“关键核心技术自主可控”等国家战略的内涵，强化“科技报国”的使命担当，理解“把论文写在祖国大地上”的深刻意义，引导学生提升创新意识；功率放大部分提出“大功率不一定是好的”，引出工程伦理的重要性，强化“科技向善”的使命意识，树立“工程师是公共利益守护者”的角色认知，践行“精益求精、造福社会”的大国工匠精神。整个课程的过程也是希望培养学生实事求是、一丝不苟的科学态度和脚踏实地的劳动精神。

图16 课程思政图谱

实验报告要求

本实验包含预习报告、详细设计报告、系统测试报告、课程总结报告四部分。

1. 预习报告：根据知识图谱，自主学习，完成预习报告及知识图谱中相关题目。

2. 详细设计报告：完成电路方案比较论证、相关理论参数计算、电路设计及参数选择等。

3. 系统测试报告：完成仿真电路及实物电路的动静态测试及各模块功能测试，进行数据分析。

4. 课程总结报告：遇到问题及解决方法、实验反思、课程收获及意见等。

考核要求与方法

每位学生的分数组成（100分满分）：

（1）学习过程分：此为个人得分，满分15分，根据出勤情况，学习态度等，由指导教师给出。

（2）学生贡献分：此为个人得分，满分15分，根据学生申报和教师观察，由指导教师给出。

（3）实物演示分：此为团体得分，满分50分，结合各题目任务书指标，由测试教师共同给出并算平均。

（4）项目文档分：此为团体得分，满分20分，由指导教师给出。

表1 实物演示评分标准

表2 项目文档评分标准

项目特色或创新

本项目的教学实施过程将多维知识图谱与BOPPPS混合教学模式相结合，依托自主研发的开放共享的实验室环境，借鉴CDIO的教学方法，进行翻转课堂，以学生为主导，教师为引导，将教学过程进行模块化分解。项目内容基于最经典的调幅发射机开展设计，设计方案多样性，实施过程进阶性，可以使学生以工程项目为背景，系统的加深高频理论知识的理解。

佐证材料

图1 作品成果展示

图2近两年学生作品

图3学生实验过程记录

图4 学生提交详细设计报告

图5 学生提交仿真测试报告

图6 学生提交系统测试报告

（a）模块化仿真

（b）基于MATLAB开发仿真实验平台

（c）PCB电路板设计及制作

图7 学生创新设计

图8 凝练毕设题目成果一—小型音频无线收发系统

图9 凝练毕设题目成果二—病房无线呼叫系统

图10 凝练毕设题目成果三—航空VHF接收机